Бор-свинец-силикатные стекла
Российский университет дружбы народов.Факультет физико-математический и естественных наук.
Кафедра неорганической химии
Курсовая работа
Бор-свинец-силикатные стекла
Студента Рычкова А. А.
Группы НХ-104
Руководитель работы Сафроненко М. Г.
Москва 2001 год
Оглавление
1. Введиние -------------------------------------------------- 3
2. Литературный обзор ------------------------------------ 4
3. Экспериментальная часть ------------------------------ 9
4. Заключение (выводы) --------------------------------- 11
5. Список используемой литературы ------------------- 12
1. Введение
Стекло - прозрачный (бесцветный или окрашенный) хрупкий материал.
Наиболее распространено силикатное стекло, основной компонент которого
оксид кремния. Получают его главным образом при остывании расплава,
содержащего кремнезем и часто оксиды магния, кальция, бора, свинца и
других. Производство стекла возникло в Древнем Египте около 4000 до
нашей эры. Изделия из стекла изготовляют выдуванием, прессованием и
отливкой. Стекло широко применяется в различных отраслях техники,
строительства, промышленности, в декоративном искусстве, быту (например,
оконное, кварцевое стекло). Обработкой кремнеземистого сырья едкими
щелочами получают растворимое стекло, водный раствор которого - жидкое
стекло . Жидкое стекло - компонент специальных цементов, силикатных
красок, глазурей, мыла. Оно используется при флотации, для склеивания
бумаги, картона, стекла, дерева (силикатный клей).
Известно, что стекло - это аморфный изотропный материал, получаемый
переохлаждением расплавов неметаллических оксидов и бескислородных
соединений. Материалами, склонными к переохлаждению и к переходу в
стеклообразное состояние, являются главным образом силикаты, бораты,
фосфаты.
2. Литературный обзор
Что можно сказать об обычном строительном стекле? Для изготовления
такого стекла основным сырьем служат: кварцевый песок, известняк, сода
или сульфат натрия. Варка строительного силикатного стекла происходит в
стекловаренных печах при температуре до 1500 °С. Строительное стекло как
строительный материал отличается долговечностью, высокой стойкостью к
воздействию влаги, солнечной радиации, перепаду температур,
морозостойкостью, невозгораемостью, жесткостью. Плотность обычного
стекла – 2500 кг/м2. Основными оптическими показателями стекла являются:
светопропускание (прозрачность), светопреломление, отражение,
светорассеивание. Обычные силикатные стекла хорошо пропускают всю
видимую часть спектра и практически не пропускают ультрафиолетовые и
инфракрасные лучи. Показатель преломления строительного стекла
1,46-1,53. Стекло плохо сопротивляется удару, т.е. оно хрупкое:
прочность при ударном изгибе составляет около 0,2 МПа. Стекло обладает
высокой прочностью на сжатие - 700-1000 МПа и малой прочностью при
растяжении - 35-85 МПа. Теплопроводность обычного стекла при температуре
до 100оС составляет 0,4 – 0,82 Вт/(моС).
Стекла различаются по своему химическому составу, т.е. массовым или
процентным содержанием оксидов, что влияет на его химические и
физические свойства. Например, рассмотрим зависимость температуры
размягчения легкоплавких стекол от различного содержания оксидов:
PbO B2O3 SiO2 Tразм, (С
83,5 12,0 4,5 484
86,0 10,6 3,4 486
87,5 11,4 1,1 488
75,0 15,0 10,0 540
92,7 7,3 ( 565
86,6 13,4 ( 497
93,7 6,3 ( 560
61,4 38,6 ( 768
70,4 ( 29,6 732
88,1 ( 11,9 723
91,8 ( 8,2 714
Существует множество видов стекол, которые охватывают весь спектр
применения их в народном хозяйстве. Расскажу о некоторых из них:
Закаленное стекло, обладающее повышенной термостойкостью, получают путем
нагрева стекла до температуры закалки (540-650 °С) и последующего
быстрого равномерного охлаждения. Этим добиваются однородного
распределения внутренних напряжений в стекле. Прочность при ударе и
предел прочности при изгибе закаленного стекла в 3-4, иногда в 10-15 раз
выше, чем обычного. Разрушается в виде мелких осколков с тупыми
нережущими краями. Термостойкость – до 175 °С. Применяется в
строительстве (двери, перегородки, ограждения), для остекления
городского транспорта.
Теплозащитное стекло по своему составу отличается от обычных стекол
содержанием окислов железа, кобальта и никеля, благодаря чему
приобретает слабый сине-зеленый оттенок. Теплопоглощающее стекло
задерживает 70-75% инфракрасных лучей, т.е. в 2-3 раза больше, чем
обычное оконное стекло, оставаясь при этом прозрачным для видимого
света.
Отражающее стекло используют для уменьшения нагрева солнечными лучами и
регулирования освещенности. Эти свойства достигаются путем покрытия,
наносимого на стекло в вакуумной камере и образующего с ним единое
целое.
Термостойкое (боросиликатное) стекло содержит окись рубидия, окись лития
и др. Термостойкие стекла имеют коэффициент линейного расширения около
2-4 х 10-6 С-1 , т.е. в 2-3 раза меньше, чем обычное стекло. Изделия из
таких стекол выдерживают перепады температур до 200 °С. Их используют
для изготовления термостойких деталей аппаратуры.
Увеолевое стекло – стекло с повышенной прозрачностью в ультрафиолетовой
биологической области спектра (при длинах волн 380-240 нм).
Изготавливают его на основе кварцевого, силикатных, боросиликатных,
фосфатных стекол, не содержащих примесей соединений, поглощающих УФ-лучи
(окислов железа, титана, хрома). Увеолевое стекло пропускает 25-75%
ультрафиолетовых лучей.
Триплекс – безопасное безосколочное стекло с высокой тепло- и
шумоизоляцией.
А вот ниже в таблице приведены некоторые свойства стекол:
Таблица 1. Гидролитическая стойкость стекла
Категория Характеристики стекла Степень выщелачивания, мг Na2O
1 Очень стойкое к действию воды 0 – 0,03
2 Стойкое стекло 0,03 – 0,06
3 Тугоплавкое для приборов 0,06 – 0,26
4 Легкоплавкое для приборов 0,26 – 0,62
5
Свыше 0,62
Таблица 2. Стойкость стекла к кислотам
Категория Характеристики стекла Количество стекла, перешедшее в р-р,
мг/1000 см2
1 Стойкое к действию кислот 0 – 0,7
2 Слаборастворимое в кислотах 0,7 – 1,5
3 Умеренно (или сильно) растворимое в кислотах Больше 1,5
Таблица 3. Стойкость стекла к щелочам
Категория Характеристики стекла Количество стекла, перешедшее в р-р,
мг/1000 см2
1 Слаборастворимое в щелочах 0 – 0,7
2 Умеренно растворимое в щелочах 0,7 – 1,5
3 Сильнорастворимое в щелочах Больше 1,5
Рассмотрим свойства компанентов, составляющих легкоплавкое
бор-свинец-силикатное стекло:
Оксид свинца PbO. Он находится в виде желтых кристаллов ромбической
системы (пл. 8,0 г/см3) или красных кристаллов тетрагональной системы
(пл. 9,53 г/см3). Его Тпл.=890(С, Ткип.=1473(С. PbO мало растворим в
воде и обладает способностью поглощать на воздухе CO2. Это соединение
растворимо в горячих щелочах и кислотах, например: HNO3, CH3COOH, HCl.
Его можно получить следующим образом:
Подействуем щелочью на ацетат свинца:
Pb(CH3COO)2 + 2KOH = Pb(OH)2( + 2CH3COOK
Затем прокалить осадок в никелевой чашке при температуре 750-800(С в
течение 2-3 часов:
Pb(OH)2( = PbO + H2O
Оксид бора B2O3. Это хрупкое твердое бесцветное стеклоподобное
вещество. Его плотность равна 1,844 г/см3. Кристаллический оксид бора
имеет Тпл.=450(С, Ткип.=1860(С. Он довольно неплохо растворяется в воде
и спирте. Приготовить его можно длительным прокаливанием борной кислоты:
2H3BO3 = B2O3 + 3H2O(
Оксид кремния SiO2 (кремнезем). Это соединение состоит из бесцветных
кристаллов гескагональной формы или находится в виде белого аморфного
порошка. Пл.=2,20-2,65 г/см3. Тпл.=1500-1710(С, Ткип=2230-2600(С. Данный
реактив растворим в воде, плавиковой кислоте HF и растворах щелочей.
Получить его можно измельчением природного кварца или горного хрусталя,
из кварцевого песка (для этого его кипитят с HCl, затем сушат при
106-120(С), а также прокаливанием кремниевой кислоты в тигле при
температуре 900-1000(С.
H2SiO3 = SiO2 + H2O
3. Экспериментальная часть
Моей задачей служит получение легкоплавких бор-свинец-силикатных
стекол. Для этого необходимо взять следующие реактивы: оксид свинца,
оксид бора и оксид кремния (кремнезем). Поместить их в фарфоровую ступку
и тщательно перетереть. Затем пересыпать в фарфоровый тигель и нагреть
(либо на газовой горелке, если температура сплавления менее 500(С, либо
в электропечи, если температура сплавления превышает 500(С) Заметим, что
оксиды должны быть хорошо прокаленными, иначе масса может вспучиться и
вылиться из тигля. Для моей работы я выбрал наименьшую температуру
размягчения 484(С, что соответствует следующему процентному содержанию
оксидов: PbO 83,5%, B2O3 12%, SiO2 4,5%. После того, как смесь достигла
сплавления, её выливают на керамическую пластинку или плитку.
Кроме того, с помощью добавления пигментов, можно получить стекла с
различной окраской. Для этого в исходную смесь добавляют красящее
вещество в количестве, приведенном в таблице:
Окраска стекла Пигмент Содержание пигмента, % масс.
Cиняя CoO 0.003-0.1
Голубая CuO 0.1-0.5
Сине-зеленая FeO или NiO 0.2-0.3
Зеленая Cr2O3 0.1-0.5
Желто-зеленая Fe2O3 0.3-0.5
Желтая Ag 0.1-0.3
Красная MnO2 0.5-2
Розово-красная Se 0.5-1
Коричневая S 1-2
Молочное стекло SnO2 или тальк 5-6
Для того чтобы определить состав стекла, нужно взять небольшой кусочек
полученного стекла и проделать следующее:
1) Докажем, что в состав стекла входит бор. Для этого нужно к образцу
стекла прилить воды и нагреть, при этом часть ионов переходит в раствор.
В результате образуется борная кислота:
B2O3 + 3H2O = 2H3BO3
Затем раствор подкислим 1-2 каплями концентрированной серной кислоты и
добавим спирта:
H3BO3 + 3C2H5OH + H2SO4(конц.) = B(OC2H5)3 + 3H2O
В результате данной реакции получается борноэтиловый эфир, качественной
реакцией на который является его горение ярко-зеленым пламенем.
2) Теперь необходимо доказать присутствие свинца.
Для этого я проделал следующий опыт: Прилил к кусочку стекла
концентрированную уксусную кислоту, в результате образовался ацетат
свинца:
PbO + CH3COOH = Pb(CH3COO)2 + H2O
А затем к полученному раствору добавим KI. Качественной реакцией ионоы
Pb2+ является образование осадка ярко-желтого цвета:
Pb(CH3COO)2 + 2KI = PbI2( + 2CH3COOK
4. Заключение
В результате проведенного мной эксперимента удалось не только получить
легкоплавкие стекла различного цвета, но и доказать с помощью
качественных реакций их состав. Стекло отличается высокой
долговечностью, морозостойкостью, невозгораемостью, жесткостью, а также
стойкостью к воздействию влаги, солнечной радиации, перепаду температур.
Все это делает стекло очень значимым материалом в народном хозяйстве.
Оно повседневно используется человечеством в быту, в строительстве, в
транспорте, в оптических приборах.
5. Список литературы
Брауэр “Руководство по неорганическому синтезу” том 1 Москва “Мир” 1985
Горячев, Зайцев “Руководство по неорганическому синтезу”
Корякин “Особо чистые вещества”
Ахметов “Общая и неорганическая химия”